Според класическата физика в света, който познаваме, телата и частиците постоянно взаимодействат помежду си. Дори да наблюдаваме обекти в покой, това не означава, че нищо не се случва. Благодарение на задържащите сили между молекулите, атомите и елементарните частици можете да видите обект под формата на материя на физическия свят, който е достъпен и разбираем за нас.
Взаимодействие на телата в природата и живота
Както знаем от собствен опитКогато паднеш върху нещо, удариш се, сблъскаш се с нещо, това се оказва неприятно и болезнено. Бутате кола или невнимателен минувач се блъска в вас. По един или друг начин вие взаимодействате със света около вас. Във физиката това явление се определя като „взаимодействие на телата“. Нека разгледаме подробно на какви типове ги разделя съвременната класическа наука.
Видове взаимодействие между телата
В природата има четири вида взаимодействие между телата. Първото, добре известно, е гравитационното взаимодействие на телата. Масата на телата определя колко силна е гравитацията.
Трябва да е достатъчно голям, за да го забележим. В противен случай наблюдението и записването на този тип взаимодействие е доста трудно. Космосът е мястото, където могат да се наблюдават гравитационните сили на примера на космически тела с огромна маса.
Връзка между гравитацията и телесната маса
Пряко енергията на взаимодействие между телата е право пропорционална на масата и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях. Това е според дефиницията на съвременната наука.
Привличането на вас и всички обекти на нашата планета се дължи на факта, че съществува сила на взаимодействие между две тела с маса. Следователно обект, хвърлен нагоре, се привлича обратно към повърхността на Земята. Планетата е доста масивна, така че силата на действие е забележима. Гравитацията предизвиква взаимодействието на телата. Масата от тела позволява проявяването и регистрирането му.
Природата на гравитацията не е ясна
Естеството на това явление днес предизвиква много спорове и спекулации; освен действителното наблюдение и видимата връзка между маса и привличане, силата, причиняваща гравитацията, не е идентифицирана. Въпреки че днес се провеждат редица експерименти, свързани с откриването гравитационни вълнив космоса. Едно по-точно предположение беше направено от Алберт Айнщайн.
Той формулира хипотезата, че гравитационната сила е продукт на кривината на тъканта на пространство-времето от телата, разположени в нея.
Впоследствие, когато пространството е изместено от материята, то се стреми да възстанови своя обем. Айнщайн предположи, че има обратна връзка между силата и плътността на материята.
Пример за ясна демонстрация на тази зависимост са черните дупки, които имат невероятна плътност на материята и гравитация, които могат да привличат не само космически тела, но и светлина.
Именно благодарение на влиянието на природата на гравитацията силата на взаимодействие между телата осигурява съществуването на планети, звезди и други космически обекти. В допълнение, въртенето на някои обекти около други е налице по същата причина.
Електромагнитни сили и прогрес
Електромагнитното взаимодействие на телата донякъде напомня на гравитационното взаимодействие, но много по-силно. Взаимодействието на положително и отрицателно заредени частици е причината за неговото съществуване. Всъщност това е причината за появата електромагнитно поле.
Той се генерира от тялото(ата) или се абсорбира или предизвиква взаимодействието на заредени тела. Този процес играе много важна роля в биологичната активност на живата клетка и преразпределението на веществата в нея.
В допълнение, ясен пример за електромагнитното проявление на силите е обичайното електричество, магнитното поле на планетата. Човечеството използва тази сила доста широко за предаване на данни. Това са мобилни комуникации, телевизия, GPRS и много други.
В механиката това се проявява под формата на еластичност и триене. Ясен експеримент, демонстриращ наличието на тази сила, е известен на всички от училищен курсфизика. Това е триене на ебонитов рафт с копринен плат. Частиците с отрицателен заряд, които се появяват на повърхността, осигуряват привличане на леки обекти. Всекидневен пример- това е гребен и коса. След няколко движения на пластмасата през косата между тях възниква привличане.
Заслужава да се спомене компаса и магнитното поле на Земята. Стрелката е магнетизирана и има краища с положително и отрицателно заредени частици, в резултат на което тя реагира на магнитното поле на планетата. Обръща своя „положителен” край по посока на отрицателните частици и обратно.
Малък по размер, но огромен по сила
Що се отнася до силното взаимодействие, неговата специфика донякъде напомня електромагнитния тип сили. Причината за това е наличието на положително и отрицателно заредени елементи. Подобно на електромагнитната сила, наличието на противоположни заряди води до взаимодействие на телата. Масата на телата и разстоянието между тях са много малки. Това е област от субатомния свят, където такива обекти се наричат частици.
Тези сили действат в района атомно ядрои осигуряват комуникация между протони, електрони, бариони и други елементарни частици. На фона на размера им, спрямо големи обекти, взаимодействието на заредените тела е много по-силно, отколкото при електромагнитния тип сила.
Слаби сили и радиоактивност
Слабият тип взаимодействие е пряко свързан с разпадането на нестабилни частици и се придружава от освобождаване различни видоверадиация под формата на алфа, бета и гама частици. По правило вещества и материали с подобни характеристики се наричат радиоактивни.
Този вид сила се нарича слаба поради факта, че е по-слаба от електромагнитните и силните видове взаимодействие. То обаче е по-мощно от гравитационното взаимодействие. Разстоянията в този процес между частиците са много малки, от порядъка на 2·10−18 метра.
Фактът на откриване на силата и определянето й сред основните се случи съвсем наскоро.
С откриването през 1896 г. от Анри Бекерел на явлението радиоактивност на веществата, по-специално на уранови соли, започва изследването на този тип взаимодействие на силите.
Четири сили създадоха Вселената
Цялата Вселена съществува благодарение на откритите четири основни сили съвременна наука. Те са родили пространството, галактиките, планетите, звездите и различни процеси във вида, в който го наблюдаваме. На този етап дефиницията на основните сили в природата се счита за завършена, но може би с течение на времето ще научим за наличието на нови сили и знанието за природата на Вселената ще стане една стъпка по-близо до нас.
Определение 1
Взаимодействието във физиката е влиянието на частици или тела едно върху друго, което води до промяна в състоянието на тяхното движение.
Промяна на състоянието на телата в пространството
Въпреки разнообразието от влияния на телата едно върху друго, в природата има само четири вида основни влияния:
- гравитационен;
- слаби взаимодействия;
- силни взаимодействия;
- електромагнитни взаимодействия.
Всички промени в природата възникват в резултат на взаимодействието между телата. За да променят позицията на вагона върху релсите, железничарите изпращат към него локомотив, който измества вагона от мястото му и го привежда в движение. Платноходката може да стои на брега дълго време, докато духа попътен вятър, който засяга платната й. Колелата на колата могат да се въртят с всякаква скорост, но играчката няма да промени позицията си, освен ако под нея не се постави дъска или линийка. Формата или размерът на пружината може да се промени само чрез закачане на легенче от нея или чрез издърпване на единия й край с ръка.
Всички тела в природата действат едно на друго или директно чрез физически полета. Ако дизелов локомотив действа върху кола и променя скоростта си, тогава скоростта на дизеловия локомотив също се променя в резултат на обратното действие на колата. Слънцето действа върху Земята и телата, поддържайки я в орбита. Но Земята също привлича Слънцето и на свой ред променя траекторията си. Така че във всички случаи можем да говорим само за взаимно действие на телата - взаимодействие.
При взаимодействие скоростите на телата или техните части се променят. От друга страна, взаимодействайки с различни тела, той ще променя скоростта си по различен начин. По този начин платноходката може да набере скорост поради действието на вятъра върху нея. Но същият резултат може да се постигне чрез включване на двигателя, разположен на платноходката. Може също да бъде преместен от мястото си от лодка, действаща върху платноходка чрез кабел. За да не се назовават всеки път всички взаимодействащи тела или тела, които действат върху дадено, всички тези действия са обединени от едно понятие за сила.
Какво е сила?
Силата, възприемайки я като физическо понятие, може да бъде по-голяма или по-малка, а също и като се вземат предвид промените, които причинява в състоянието на тялото или неговите части.
Определение 2
Силата е физическо количество, което се характеризира като действие на едно тяло върху друго.
Действието на дизелов локомотив върху кола ще бъде много по-интензивно от действието на няколко товарача. Под въздействието на дизеловия локомотив колата ще се движи по-бързо и ще започне да се движи с по-висока скорост, отколкото когато колата се бута от товарачи, които леко ще преместят колата или изобщо няма да я преместят.
За да се правят математически изчисления, силата се обозначава с латинската буква $F$.
Както всички други физически величини, силата има определени единици. Днес науката използва единица, наречена нютон ($H$). Получава това име в чест на учения Исак Нютон, който има значителен принос за развитието на физико-математическата наука.
И. Нютон - изключителен английски учен, основател класическа физика. Неговата научни трудовесе отнасят до механиката, оптиката, астрономията и математиката. Той формулира законите класическа механика, открива дисперсията на светлината, развива диференциално и интегрално смятане и др.
Измерване на сила
За измерване на силата се използват специални устройства, наречени динамометри. Струва си да се отбележи, че посочването на числената стойност на дадена сила не винаги е достатъчно, за да се определят данните за нейното действие. Трябва да знаете точката на неговото приложение и посоката на действие.
Ако висок блок, който стои на маса, бъде бутнат отдолу, той ще се плъзне по повърхността на масата. Ако му приложите сила в горната му част, той просто ще се преобърне.
Ясно е, че посоката, в която пада блокът, зависи от посоката, в която го бутаме. Така че силата също е посока. Посоката на силата определя изменението на скоростта на тялото, върху което действа тази сила.
Използвайки графичния метод, можете да извършвате различни математически операции със сили. По този начин, ако в една точка на тялото приложените сили $2H$ и $CH$ действат в една и съща посока, тогава тяхното действие може да бъде заменено от една сила, която действа в същата посока и нейната стойност е равна на сумата от стойностите на всяка от силите. Векторът на тази сила има дължина, която е равна на сбора от дължините на двата вектора.
Резултантната сила е сила, чието действие действа еднакво върху няколко сили, приложени към тялото в определена точка.
Друг случай е възможен, когато силите, приложени в една точка на тялото, действат директно в противоположни точки. В този случай те могат да бъдат заменени от една сила, движеща се в посока на по-голямата сила, и нейната стойност е равна на разликата между стойностите на всяка сила. Дължината на вектора на тази сила е равна на разликата в дължината на векторите на приложените сили.
Инерцията е явлението на запазване от тела постоянна скоросткогато не се въздействат от други органи. Това явление се състои в това, че е необходимо известно време, за да се промени скоростта на тялото. Инерцията не може да бъде измерена, тя може само да бъде наблюдавана или възпроизведена.
Нека отбележим, че в земни условия е невъзможно да се създадат условия, при които върху тялото да не действат никакви сили, тъй като винаги има гравитация, сили на двигателно съпротивление и други подобни. Феноменът на инерцията е открит от известния учен Галилео Галилей.Заслужава да се отбележи, че за директно измерване на масата се използват различни везни. Сред тях най-често срещаните и най-простите са лостовите. На тези везни се сравнява взаимодействието със Земята на тялото и стандартните тегла, поставени на везните. В практиката се използват други мащаби, които са адаптирани към различни условияработят и имат различни дизайни. IN в такъв случай, точността на измерване на масата е от голямо значение.
Причината за промяна на скоростта на движение на тялото винаги е взаимодействието му с други тела.
След изключване на двигателя колата постепенно намалява и спира. Главната причина
промени в скоростта на превозното средство - взаимодействието на колелата му с пътната настилка.
Топка, която лежи неподвижно на земята, никога не се движи сама. Скоростта на топката се променя само в резултат на действието на други тела върху нея, например краката на футболист.
Постоянство на съотношението на модулите за ускорение.
Когато две тела си взаимодействат, скоростите както на първото, така и на второто тяло винаги се променят, т.е. и двете тела придобиват ускорение. Модулите на ускорение на две взаимодействащи тела могат да бъдат различни, но съотношението им се оказва постоянно за всяко взаимодействие:
Инерция на телата.
Постоянността на съотношението на модулите на ускорение на две тела по време на всяко от техните взаимодействия показва, че телата имат някакво свойство, от което зависи тяхното ускорение по време на взаимодействие с други тела. Ускорението на тялото е равно на съотношението на изменението на неговата скорост към времето, през което е настъпила тази промяна:
Тъй като времето на действие на телата едно върху друго е еднакво, промяната в скоростта е по-голяма за тялото, което придобива по-голямо ускорение.
Колкото по-малко се променя скоростта на едно тяло при взаимодействие с други тела, толкова по-близко е неговото движение до равномерно праволинейно движениепо инерция. Такова тяло се нарича по-инертно.
Всички тела имат свойството инерция. Състои се във факта, че отнема известно време, за да се промени скоростта на тялото, когато то взаимодейства с други тела.
Проявата на свойството инертност на телата може да се наблюдава в следния опит. Окачваме метален цилиндър на тънка нишка (фиг. 20, а) и завързваме точно същата нишка отдолу. Опитът показва, че при постепенно опъване на долната нишка, горната нишка се скъсва (фиг. 20, б). Ако издърпате рязко долната нишка, горната нишка остава непокътната, но долната нишка се скъсва (фиг. 20, c). В този случай се засяга инерцията на цилиндъра, който няма време за кратко време да промени достатъчно скоростта си и да направи забележимо движение, достатъчно за скъсване на горната нишка.
Телесна маса.
Свойството на тялото, от което зависи неговото ускорение при взаимодействие с други тела, се нарича инерция. Количествена мярка за инерцията на тялото е телесната маса. Колкото повече маса има едно тяло, толкова по-малко ускорение получава по време на взаимодействие.
Следователно във физиката се приема, че съотношението на масите на взаимодействащите тела е равно на обратното съотношение на модулите на ускорение:
Единицата за маса в Международната система е масата на специален стандарт, изработен от сплав от платина и иридий. Масата на този стандарт се нарича килограм (kg).
Масата на всяко тяло може да се намери чрез взаимодействие на това тяло със стандартна маса.
По дефиниция на понятието маса съотношението на масите на взаимодействащи тела е равно на обратното съотношение на модулите на техните ускорения (5.2). Чрез измерване на модулите на ускорение на тялото и стандарта може да се намери съотношението на масата на тялото към масата на стандарта
Съотношението на масата на тялото към масата на еталона е равно на съотношението на модула на ускорение на еталона. Към модула за ускорение на тялото при взаимодействието им.
Масата на тялото може да се изрази чрез масата на стандарта:
Масата на тялото е физическо количество, което характеризира неговата инерция.
Измерване на маса.
За измерване на масите на телата в науката, технологиите и ежедневната практика рядко се използва методът за сравняване на масата на тялото с масата на еталон чрез определяне на ускоренията на телата по време на тяхното взаимодействие. Често използван метод е да се сравнят масите на телата с помощта на везни.
При претегляне способността на всички тела да взаимодействат със Земята се използва за определяне на масите. Експериментите показват, че тела с еднаква маса се привличат еднакво към Земята. Равнопоставеността на привличането на телата към Земята може да се установи например чрез еднаквото разтягане на пружината, когато тела с равни маси са последователно окачени на нея.
Каква е причината за движението на телата? Отговорът на този въпрос се дава от клон на механиката, наречен динамика.
Как можете да промените скоростта на едно тяло, да го накарате да се движи по-бързо или по-бавно? Само при взаимодействие с други тела. При взаимодействие телата могат да променят не само скоростта, но и посоката на движение и да се деформират, като по този начин променят формата и обема. В динамиката е въведена величина, наречена сила, за да се осигури количествена мярка за взаимодействието на телата едно с друго. А изменението на скоростта по време на действието на силата се характеризира с ускорение. Силата е причина за ускорението.
Концепция за сила
Силата е векторно физическо количество, което характеризира действието на едно тяло върху друго, проявяващо се в деформация на тялото или промяна в неговото движение спрямо други тела.
Силата се обозначава с буквата F. Мерната единица в SI е нютон (N), който е равен на силата, под въздействието на която тяло с тегло един килограм получава ускорение от един метър в секунда на квадрат. Силата F е напълно определена, ако са дадени нейната величина, посока в пространството и точка на приложение.
За измерване на силата се използва специално устройство, наречено динамометър.
Колко сили има в природата?
Силите могат да бъдат разделени на два вида:
- Действат чрез пряко взаимодействие, контакт (еластични сили, сили на триене);
- Действайте на разстояние, на голямо разстояние (сила на привличане, гравитация, магнитни, електрически).
По време на директно взаимодействие, например изстрел от пистолет играчка, телата изпитват промяна във формата и обема си в сравнение с първоначалното състояние, тоест компресия, разтягане и деформация на огъване. Пружината на пистолета се компресира преди изстрел, а куршумът се деформира, когато удари пружината. В този случай силите действат в момента на деформация и изчезват заедно с нея. Такива сили се наричат еластични. Силите на триене възникват от прякото взаимодействие на телата, когато се търкалят и плъзгат едно спрямо друго.
Пример за сили, действащи на разстояние, е камък, хвърлен нагоре, поради гравитацията той ще падне на Земята, приливи и отливи, които се случват по бреговете на океана. С увеличаване на разстоянието тези сили намаляват.
Зависи от физическа природаСиловите взаимодействия могат да бъдат разделени на четири групи:
- слаб;
- силен;
- гравитационен;
- електромагнитни.
Срещаме всички видове тези сили в природата.
Гравитация или сили универсална гравитацияса най-универсалните, всичко, което има маса, е способно да преживее тези взаимодействия. Те са вездесъщи и широко разпространени, но много слаби, така че не ги забелязваме, особено на големи разстояния. Гравитационни силидалекобойни, свързващи всички тела във Вселената.
Електромагнитните взаимодействия възникват между заредени тела или частици чрез действието на електромагнитно поле. Електромагнитните сили ни позволяват да виждаме обекти, тъй като светлината е форма на електромагнитни взаимодействия.
Слабите и силните взаимодействия станаха известни чрез изучаването на структурата на атома и атомното ядро. Между частиците в ядрата възникват силни взаимодействия. Слабите характеризират взаимни трансформации един в друг елементарни частици, действат по време на реакции на термоядрен синтез и радиоактивен разпад на ядра.
Какво става, ако върху едно тяло действат няколко сили?
Когато върху едно тяло действат няколко сили, това действие се заменя едновременно с една сила, равна на тяхната геометрична сума. Получената в този случай сила се нарича резултантна сила. Той придава на тялото същото ускорение като силите, действащи едновременно върху тялото. Това е така нареченият принцип на суперпозиция на силите.
